2). Область дрейфа (длиной w)

Здесь , поэтому малая переменная составляющая тока:

.

Полный ток включает ток смещения: .

Отсюда: . Интегрируя по х от 0 до w, получим:

, где

— время дрейфа, — емкость области дрейфа.

При : (5.5.5)

, и импеданс области дрейфа составляет:

. (5.5.6)

3). Полный импеданс лпд

С учетом сопротивления контактных областей R_c:

.

Подставляя сюда (5.5.3) и (5.5.6) с учетом (5.5.4) получим:

(5.5.7а) . (5.5.7б)

Если , то при  !

Реально . При этом в диапазоне частот ,

где ,

— удельное сопротивление контактов (на единицу площади).

Уравнения (5.5.7а,б) получены при условии (5.5.5) . На более высоких частотах при достаточно малом значении также может быть ОДС.

Применение лпд

Резонансную частоту можно регулировать током I₀ или напряжением V₀ (т.е. значением ).

Устойчивость электрической цепи с отрицательным дифференциальным сопротивлением ( — импеданс нагрузки):

;

При , если .

Цепь неустойчива, если это уравнение имеет корни (нули) в нижней полуплоскости комплексной частоты. При этом возникнет генерация на частоте .

ЛПД обеспечивает самые большие мощности на СВЧ

f, ГГц	P, Вт	к.п.д., %
1	100	30
10	1	18
100	0,3	13
400	0,02	~1

На последовательно включенных ЛПД — до 2 кВт (импульсный режим).

5.6. Диод Ганна

В 1963 г. Ганном открыт эффект генерации СВЧ колебаний в однородных образцах GaAs в сильном (> 3 кВ/см) постоянном электрическом поле.

Ч астота колебаний соответствует времени пролета электронов через образец со скоростью 10⁷ см/с:

(при мкм 

1 ГГц. Причина эффекта — особенности зонной структуры GaAs.

кВ/см; см/с;

см/с.

В нижней долине — легкие электороны, в верхней — тяжелые. Разогрев полем переносит электроны в верхнюю долину, и средняя скорость снижается.

Электроны с достаточной энергией переходят в в верхнюю долину практически все: а) побочных минимума 4; б) плотность состояний ~ эффективной массе в степени 3/2; в верхней долине она выше.

Существует 2 основных режима колебаний:

а) пролетная (ганновская) мода; б) режим ограничения пространственного заряда (ОНОЗ).

Пролетная мода

Пролетная моде реализуется в случае, когда образец не находится в резонаторе. Отрицательная дифференциальная подвижность приводит к нарушению однородности электрического поля и образованию домена сильного поля (ДСП).

ДСП зарождается на естественной неоднородности образца на границе с катодом и движется к аноду. После его рассасывания на аноде возникает новый ДСП и процесс повторяется периодически.

Механизм зарождения ДСП:

Н а участке повышенного поля скорость электронов меньше.

Поэтому «убегают к аноду» справа от флуктуации поля и «поджимают» флуктуацию слева.

В результате формируется ДСП с обедненной передней стенкой и обогащенной задней.

В стационарном ДСП на передней стенке:

;

;

;

.

Вне ДСП: . Отсюда скорость домена:

.

Форма тока:

;

;

.

Максимальная частота генерации определяется необходимым условием доменной неустойчивости:

см^-2; .

Повышение приводит к снижению подвижности в слабом поле и уменьшению отношения (т.е. К.П.Д.). Практически 10¹⁶ см^-3.

При этом = 100 ГГц.

Режим ОНОЗ

Если диод Ганна помещен в резонатор с резонансной частотой , ДПС гасится резонатором, и диод генерирует на резонансной частоте.

Частотные ограничения:

.

Успевает разрушиться Не успевает

обогащенный слой сформироваться ДСП

Здесь 7000 см²/Вс — подвижность в слабом поле;

2000 см²/Вс — отрицательная дифференциальная подвижность.

В режиме ОНОЗ достигается максимальная частота генерации.

Диоды Ганна конкурируют с ЛПД как генераторы СВЧ.

Частоты — до 150 ГГц; мощность — до 10 кВт в импульсном режиме.

К.П.Д. ~ 10 %/